板式轨道布置方式的动力学响应

板式轨道布置方式的动力学响应

无轨结构意味着轨道结构将取消砾石带，提高轨道保持几何状态的能力，相应提高轨道稳定性，减少维护工作量，成为高速铁路轨道结构的发展方向。日本的板式无砟轨道克服了有轨枕无砟轨道和现浇无轨枕无砟轨道现场施工进度慢,以及可修复性差的不足,具有拼装式结构和新材料与结构一体化工程的特点。路基上的板式轨道特点是列车运行过程中路基面的弹性变形主要发生在基床部分,尤其是基床表层。因此,应采用合理的路基结构形式及尺寸、填料材质和压实标准以提高路基刚度。本文主要对板式轨道轨道板与底座对缝及错缝两种布置方式进行动力学分析,并对得出的钢轨位移、枕上压力、CA砂浆层及路基面应力进行分析比较,还分析了路基面支承刚度对板式轨道的动力影响。1瞬态动力学分析板式轨道结构主要由钢轨、扣件、轨道板、CAM层、混凝土底座等几部分组成。本文仅考虑轮轨垂向动力效应。在计算模型中,钢轨、轨道板、混凝土底座均采用连续弹性离散点支承梁模型;列车荷载以集中荷载来模拟,车辆定距之半为9.0m,转向架轴距之半为1.25m。图1和图2分别为轨道板与底座对缝与错缝布置时的板式轨道动力学模型示意图。动力学计算应用ANSYS进行计算,ANSYS瞬态动力学分析(亦称时间历程分析)是用于确定结构承受任意的随时间变化载荷时动力学响应的一种方法,它应用Newmark时间积分方法在离散的时间点上求解动力学方程。钢轨为60kg/m轨,采用单元BEAM4进行模拟,其弹性模量为2.1×1011N/m2,截面惯性矩为3.217×10-5m4;轨下弹性垫层视为一个弹簧阻尼单元COMBIN14,其静刚度为2×107～4×107N/m,动刚度取静刚度的1.5倍;CA砂浆层和路基均采用单元COMBIN14模拟,分别密布于轨道板和底座下,CA砂浆弹性模量为300MPa,厚度50mm,路基表层弹性模量为120MPa;轨道板和混凝土底座采用单元shell63进行模拟,轨道板的几何尺寸长×宽×高为:4930mm×2400mm×190mm,混凝土底座的几何尺寸长×宽×高为:4930mm×3200mm×300mm,轨道板和混凝土底座的弹性模量分别为3.6×104MPa和3.25×104MPa;混凝土的泊松比均为0.2,密度为2500kg/m3;板缝宽度为70mm;计算模型长度取60m;钢轨支点间距0.625m;动车组轴重140kN,重载货车的轴重250kN。实测的动力系数一般<2,本文取动力系数2进行分析。2kn移动荷载在不同速度下的板缝位置图3为轨道板与底座对缝及错缝两种方式布置时,移动荷载(速度为250km/h)为140kN的作用下的钢轨支点压力、CA砂浆动应力、路基面动应力、路基面位移动力响应时程曲线。表1给出了140kN的移动荷载(速度为250km/h)作用下轨道板与底座对缝与错缝布置时的板缝位置的各项动力学指标的最大值比较。表2给出了140kN移动荷载在不同速度运行条件下轨道板与底座对缝布置时的板缝位置的各项动力学指标的最大值比较。表3给出了25t轴重货车在不同速度下轨道板与底座对缝布置时板缝位置的各项动力学指标的最大值结果。路基上板式无砟轨道处于正常支承状态时,由仿真计算结果可以得出以下结论:1)对于平顺钢轨而言,140kN的移动荷载(速度为250km/h)作用于轨道板与底座对缝与错缝两种布置方式的轨道结构时,钢轨位移最大值变化不大,对缝时为1.216mm,错缝时为1.178mm;钢轨支点压力最大值变化不大,对缝时为54.177kN,错缝时为56.119kN;CA砂浆动应力变化较小,对缝时为0.072MPa,错缝时为0.078MPa。2)140kN的移动荷载(速度为250km/h)作用下,路基上板式轨道在轨道板与底座对缝与错缝两种布置方式下,对缝时的路基面垂向位移和路基面动应力分别要高于错缝约36.8%和42.1%。3)移动荷载以不同的速度通过路基上板式轨道时,轨道结构的动力学响应变化不大。4)对于轨道变形而言,货车运营条件下比客车运营条件下大得多。3ca砂浆弹性模量对轨道结构的影响以路基基床表层地基系数190MPa/m、基床底层地基系数110MPa/m为标准路基刚度,通过改变路基刚度的方法(与标准路基刚度的比值)研究路基支承刚度变化对轨道结构动力学性能的影响。140kN的移动荷载(速度为250km/h)作用在不同路基支承刚度条件下,板缝处轨道结构的各项动力学指标的最大值如表4所示(刚度比为0.1相当于较弱路基,刚度比为100相当于刚性路基)。140kN的移动荷载(速度为250km/h)作用在不同CA砂浆弹性模量下板缝处轨道结构的各项动力学指标的最大值如表5所示。140kN的移动荷载(速度为250km/h)作用在在不同扣件刚度条件下,轨道结构的各项动力学指标的最大值如表6所示。从计算结果可以看出,140kN的移动荷载(速度为250km/h)由较弱路基作用到刚性路基上时,板缝处CA砂浆动应力从0.062MPa增大到0.076MPa,板缝处钢轨支点压力从44.365kN增大到56.605kN,板缝处路基面动应力从0.048MPa增大到0.057MPa,板缝处钢轨垂向位移发生显著的变化,从3.078mm降低到1.006mm,路基面垂向位移由2.378mm降低到0.030mm。路基支承刚度太小,钢轨和路基面的位移就很大,在长期列车荷载作用下塑性变形较大,难以保证线路的平顺性。路基刚度太大,路基面动应力就增加,也容易使土质路基产生破坏。CA砂浆弹性模量对轨道结构的各项动力学指标影响较小。扣件刚度从20MN/m增大到60MN/m时,在140kN的移动荷载(速度为250km/h)作用下,板缝处轨道结构的各项动力学指标均有明显的变化,CA砂浆动应力增大22%,钢轨支点压力增大24.1%,钢轨垂向位移减小47.2%,路基面垂向位移增大15.6%,路基面动应力增大23.4%。4ca砂浆弹性模量对轨道结构的影响1)对于轨道板与底座错缝与对缝两种布置方式,钢轨位移、钢轨支点压力以及CA砂浆动应力差别不大,但对缝时的路基面垂向位移和路基面动应力分别要高于错缝约36.8%和42.1%。2)路基支承刚度对轨道结构的动力学影响较大,140kN的移动荷载(速度为250km/h)作用下,由较弱地基过渡到刚性地基上时,板缝处CA砂浆动应力从0.062MPa增大到0.076MPa,板缝处钢轨支点压力从44.365kN增大到56.605kN,板缝处路基面动应力从0.048MPa增大到0.057MPa,板缝处钢轨垂向位移发生显著的变化,从3.078mm降低到1.006mm,路基面垂向位移由2.378mm降低到0.030mm。3)CA砂浆弹性模量对轨道结构的各部分动力学指标影响较小。4)扣件刚